Механическое разрушение горных пород
Вибрационное бурение
Это специфический способ бурения, при котором происходит не обычное в традиционном понимании разрушение горных пород, а фактически их перераспределение в массиве за счет внедрения бурового снаряда.
Вибрационное бурение не применяется при строительстве глубоких скважин и его основная область реализации – бурение инженерно-геологических скважин.
Суть вибрационного бурения заключается в том, что под действием высокочастотной и малоамплитудной вибрации буровой снаряд внедряется в массив горных пород. В качестве бурового снаряда может выступать цилиндрическая труба (виброзонд) с заостренной и упрочненной торцевой частью (защита от смятия и повышение режущей способности). В этом случае труба фактически «врезается в массив». Порода, которая встречается на пути снаряда либо смещается внутрь виброзонда, либо уплотняется в сторону массива, либо уплотняется под пятном контакта со снарядом. Таким образом, в буровом снаряде формируется проба горной породы (керн), которая может быть извлечена либо для изысканий, либо для утилизации.
Альтернативной версией является случай, когда в качестве бурового снаряда используется заостренный пикообразный предмет, который фактически прокалывает грунт, а движущаяся за ним расширенная часть снаряда разрабатывает выработку до номинального размера. В данном случае выемка горной породы из скважины не производится и основной процесс формирования выработки осуществляется за счет уплотнения горных пород по переферии от движения снаряда.
При вибрационном бурении не предусматривается система промывки.
Вибрационное бурение может сопровождаться вращением (вибрационно-вращательный способ), что естественным образом повышает его производительность. Также иногда используют комбинацию вибрационного и ударного способов (вибрационно-ударный способ). Обычно для более мягких пород используются вибрационный и вибрационно-ударный способы, а для более твердых пород вибрационно-вращательный.
Вибрация передается на буровой снаряд от вибратора, который устанавливается на поверхности. Если мы рассматриваем версию вибрационно-ударного способа, то к работе вибратора добавляют вибромолот, а для вибрационно-вращательного способа к работе вибратора добавляют применение вращателя.
По типу привода вибраторы и вибромолоты подразделяют на механические, зубчатые, гидравлические, пневматические, электромагнитные, магнитострикционные и др. Наиболее распространенными для комплектования вибрационных буровых установок являются механические вибраторы и вибромолоты. Они основаны на принципе возбуждения центробежных сил при вращении эксцентрично смещенных масс.
Буровой снаряд, который используется для вибрационного бурения, называется виброзонд. Как было сказано выше – это цилиндрический элемент с режущей кромкой на торце. Для бурения устойчивых связных пород служат зонды с одной продольной прорезью и углом выреза 140 - 160°, в менее устойчивых с углом выреза 90-140° или с двумя прорезями. При длине труб 3 м делают несколько прорезей.
Для бурения слабосвязных грунтов применяют зонды без прорезей с клапанами в башмаке (виброжелонки) или в верхней части (грунтоносы). Для облегчения извлечения породы применяют разъемные зонды. Грунтоносы и желонки для вибробурения такие же, как и для бурения ударно-канатным колонковым способом.
Производительность вибрационного бурения зависит от типа вибратора, диаметра виброзонда, длины рейса и продолжительности бурения.
Тип вибратора определяет мощность, которая может передаваться на буровой снаряд. Также нужно помнить, что вибромолоты всегда эффективней вибраторов.
Механическая скорость вибробурения на интервале до 4 - 5 м с увеличением диаметра зонда растет, а с глубины 5 м несколько понижается. Это обусловлено тем, что при большом диаметре зонда порода свободнее смещается с пути снаряда, как внутрь виброзонда, так и на его периферию, а при малом диаметре происходит ее ускоренное уплотнение в виброзонде. Если говорить и влиянии глубины, то тут определяющую роль играет скорость уплотнения породы под торцом виброзонда. Поэтому рекомендуется для вибробурения применять набор зондов различного диаметра. В необсаженных скважинах смена диаметров зондов снижает также трение и прихват снаряда в скважине.
Бурение неустойчивых горных пород следует проводить параллельно с креплением скважин. Погружение обсадных труб производят также с помощью вибраторов, имеющих центральное отверстие для труб.
Длина рейса зависит от перебуриваемой горной породы и глубины скважины.
В слабых и средних грунтах рекомендуется вести бурение с увеличенной длиной рейса (до 10-15 м). В этом случае исключается необходимость крепления скважин.
Средняя продолжительность рейса колеблется в пределах от 1 до 15мин.
Для более тщательной отбивки контактов время рейса в песках не должно быть более 2 мин, в глинах – 3 - 4 мин. Бурение следует прекращать при резком снижении механической скорости бурения до 10 см за 20 с.
При глубине скважин свыше 15 - 25 м и при бурении более твердых пород до V - VI категорий, валунов и галечников наблюдается наиболее эффективно вибрационное бурение с вращением бурового инструмента. Скорость бурения в этом случае возрастает в 1,5 раза, длина рейса - в 2,5 - 3,0 раза (до 4 - 5 м), глубина бурения - в 2 - 3 раза (до 45 м).